CN102448596A - 流动受控的微流体装置 - Google Patents

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Abstract

一种包括至少一个反应通道(60)的微流体装置(10)，该反应通道形成于微流体装置(10)的层(50)内，并且包括沿中心轴线(110)设置的一个或多个相继的腔室(70，75)。每个腔室(100)在分流区(150)被分成从所述中心轴线(110)分散然后在汇流区(160)会聚在一起的两个子通道(140，145)。分流区(150)、汇流区(160)或两者可包括至少一个引流岬(180，185)，引流岬包括沿中心轴线(110)定位的终端(190，195)。在一些实施例中，每个子通道(140)可包括至少一个弯曲部(170)。在其它的实施例中，每个子通道(310)可包括至少两个间隔开的弯曲部(330，335)。

Description

流动受控的微流体装置
背景技术
本发明一般涉及微流体装置，且更具体地涉及在其内具有某些通道的微流体装置。
也可被称为微结构反应器、微通道反应器、微回路反应器或微反应器的微流体装置是流体可限制于其中并经受处理的装置。在一些情形中，该处理可包括化学反应的分析。在其它应用场合中，处理可涉及作为制造或生产过程的一部分来进行的化学、物理和/或生物过程。在这些应用场合中，限制于微流体装置内的一种或多种工作流体可与一种或多种相关的热交换流体进行热交换。在任何情况下，用于工作流体的受限空间的特有最小尺寸一般在0.1毫米到5毫米，理想的是0.5毫米到2毫米的数量级上。
微通道是这种限制的最典型形式，且微流体装置可作为持续流动反应器来操作。微通道的内部尺寸提供对质量传递和热传递速率的显著改进。采用微通道的微反应器与传统规模的反应器相比提供许多优点，包括在很大程度上改进：能量效率、反应速率、反应产量、安全性、可靠性、可扩缩性等。例如，微通道可例如布置在如图1中所示结构的堆叠结构的一部分的一层内。在图1中，堆叠的微流体装置10可包括层50，包括微通道的反应通道可定位在该层内。
根据本发明一实施例，提供一种微流体装置10。微流体装置10可包括限定在微流体装置10的层50内的至少一个反应通道60。每个反应通道60可包括沿中心轴线110设置的至少一个腔室70、75。每个腔室100可包括沿中心轴线110设置的腔室入口120、沿中心轴线110设置的腔室出口130以及设置在腔室入口120与腔室出口130之间的两个子通道140、145。每个子通道140、145可形成从中心轴线110发散然后朝向中心轴线110会聚的路径。每个腔室100还可包括设置在两个子通道140、145和腔室入口120之间的分流区150，因而，分流区150将腔室入口120分成两个子通道140、145。此外，汇流区160可设置在两个子通道140、145和腔室出口130之间，因而，汇流区160使两个子通道140、145合并。分流区150可包括至少一个引流岬(cape)180，引流岬180与腔室入口120相对设置并包括沿中心轴线110定位的终端(terminus)190。汇流区160可包括至少一个引流岬185，引流岬185与腔室出口130相对设置并包括沿中心轴线110定位的终端195。可设想分流区150或汇流区160中的一个或两个可包括如下所述的引流岬。
在其它的实施例中，每个引流岬510、520、530、540、550、560的终端515、525、535、545、555、565可以是弯曲的、直的、阶梯状的或这些的任何组合。
还在其它实施例中，每个腔室100的每个子通道140可包括至少一个弯曲部170。每个弯曲部170可形成的形状构造成使流体在子通道140内方向改变至少90°。
还在其它实施例中，每个腔室300的每个子通道310可包括至少两个弯曲部330、335。子通道310可包括设置在任何两个弯曲部330、335之间的笔直区315。两个子通道310、320的笔直区315、325可包括基本相等的宽度。
通过以下结合附图的详细说明将更完整地理解由本发明的实施例所提供的这些以及附加的特征。
附图说明
在结合以下附图阅读以后就会很好地理解本发明的各具体实施例的以下详细说明，其中相同的结构用相同的标号来表示，且其中：
图1是示出根据本发明的实施例的微流体装置的总体层状结构的示意立体图；
图2是根据本发明实施例的形成反应通道的垂向壁结构的平面剖视图；
图3A是在根据本发明的实施例的微流体装置的一层的反应通道内的腔室平面图；
图3B是根据本发明的实施例的、在图3A中所示的腔室的分流区的插图；
图3C是根据本发明的实施例的、在图3A中所示的腔室的汇流区的插图；
图4是根据本发明的实施例的微流体装置的一层的单个反应通道的示意立体图，该通道包括图3A中所示类型的多个相继的腔室；
图5A是在根据本发明的实施例的微流体装置的一层的反应通道内的腔室平面图；
图5B是根据本发明的实施例的微流体装置的一层的单个反应通道的示意立体图，该通道包括图5A中所示类型的多个相继的腔室；
图6A-6F是示出分流套的实施例的示意图，该分流套包括在根据本发明的实施例的微流体装置的一层的反应通道内沿中心轴线定位的终端。
附图中所阐释的实施例在性质上是说明性的，且并非意在限制由权利要求书所限定的发明。此外，考虑到详细说明，将更为完整地明白与理解附图和发明的各个特征。
具体实施方式
参见图2的实施例，微流体装置的层50可包括限定在层50内的至少一个反应通道60。反应通道60可由垂向壁结构来限定，在附图中示出反应通道的横截面。如所示，可在层50内使用具有各种型面的多个不同的反应通道。此外，尽管各种材料被认为是合适的，但层50理想地可以由玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷或者其混合物或组合物构成。如果需要，则可以使用诸如金属或聚合物的其它材料。
再参见图2，每个反应通道60可包括沿中心轴线110设置的至少一个腔室70、75。在一些实施例中，如在附图中所示，反应通道60可包括相继设置的多个腔室70、75。如在此所用，关于多个腔室的布置的“相继”是指第一腔室70的腔室出口(以下描述)与第二腔室75的腔室入口(以下描述)流体连通。尽管图2示出相继的两个腔室70、75，还可设想诸如在通道60a中仅使用一个腔室(未示出)或两个以上腔室。又例如，图4示出包括沿中心轴线110设置的四个腔室100、102、104和106的反应通道200，而图5B也示出沿中心轴线110设置的四个腔室(300，302，304和306)反应通道400。尽管在这些附图中示出四个腔室，但也应理解到根据本发明的实施例的反应通道不必限制于四个腔室。
又参见图2，在一些实施例中，反应通道60可包括至少一个馈送入口90、92，流体经过馈送入口引入反应通道60，以当流体流经腔室70和75时进行混合。此外，反应通道60可包括至少一个产品出口94，经混合的流体可经由该产品出口离开反应通道60。如图2中所示，反应通道60可包括靠近反应通道60的相对两端设置的两个入口90和92以及一个出口94；然而，可设想包括更多或更少的入口或出口并在反应通道60的不同位置处设置入口和出口。
参见图3A，反应通道中的每个腔室100可包括沿中心轴线110设置的腔室入口120、沿中心轴线110设置的腔室出口130以及设置在腔室入口120与腔室出口130之间的两个子通道140、145。每个子通道140、145可形成从中心轴线110发散然后朝向中心轴线110会聚的路径。在一个实施例中，腔室出口130可包括基本上等于腔室入口120的宽度d1的宽度d2。在其它实施例中，子通道140和145可形成相对于中心轴线110的对称路径。在一些情况下，子通道140和145可以至少局部弯曲。在一些情况下，子通道140和145可包括宽度w1和w2，这两个宽度都比腔室入口120的宽度d1以及腔室出口130的宽度d2小。
还参见图3A，子通道140和145都可包括至少一个弯曲部，弯曲部的例子示出为170和175。例如为170和175的每个弯曲部可形成的形状构造成使流体流经设置有弯曲部的子通道的方向改变至少90°。为了说明而非限制性地，如在附图中所示，弯曲部170和175可沿它们对应的子通道140和145设置在子通道从中心轴线110分散开最远的位置处。在一些实施例中，弯曲部170和175可分别与子通道140和145的曲线区流体连通。
参见如图5A中所示的另一实施例，子通道310和320都可包括至少两个间隔的弯曲部。例如，子通道310包括两个间隔的弯曲部330和335，而子通道320包括两个间隔的弯曲部340和345。在一些实施例中，每个子通道可包括设置在任何两个间隔的弯曲部之间的笔直区。例如，子通道310包括设置在间隔的弯曲部330和335之间的笔直区315。类似地，子通道320包括设置在间隔的弯曲部340和345之间的笔直区325。在一些实施例中，子通道310的笔直区315的宽度w1可基本上等于子通道320的笔直区325的宽度w2。
又参见图3A-3C，每个腔室100还可包括设置在两个子通道140、145和腔室入口120之间的分流区150，因而，分流区150将腔室入口120分成两个子通道140、145。此外，汇流区160可设置在两个子通道140、145和腔室出口130之间，因而，汇流区160使两个子通道140、145合并。腔室出口130可与反应通道内的相继腔室(未示出)的腔室入口流体连通。
又如所示，每个腔室100可包括在分流区150、汇流区160或两者中的至少一个引流岬。分流区150可包括至少一个引流岬180，引流岬180与腔室入口120相对设置并包括沿中心轴线110定位的终端190。此外，汇流区160可包括至少一个引流岬185，引流岬185与腔室出口130相对设置并包括沿中心轴线110定位的终端195。如图3B中所示，分流区150可包括与腔室入口120相对设置的至少一个引流岬180。引流岬180可包括沿中心轴线110定位的终端190。如图3C中所示，汇流区160可包括与腔室出口130相对设置的至少一个引流岬185。引流岬185可包括沿中心轴线110定位的终端195。
如在图3B和3C中所示，“引流岬”表示任何引流结构，当与腔室入口120或腔室出口130相对定位时，该结构形成引流截面，该引流截面随着其分别在腔室入口120或腔室出口130的方向上沿中心轴线110延伸收缩到引流终端190或195。尽管图3A描述了分别包括了引流岬180和185的分流区150和汇流区160，但可如上所述设想到一些腔室100替代地可仅使用一个引流岬。
图6A-6F都非限制性地示出在反应通道腔室的前述各实施例中所指出的引流岬结构的各种示例性实施例。在各个附图中，示出沿中心轴线110设置的腔室入口120。每个引流岬结构与腔室入口120相对设置。每个引流岬结构包括沿中心轴线110定位的终端。尽管朝向下的箭头表示引入腔室并朝向所示套结构的流体流，但应理解到，在这些附图中所示的根据示例性实施例的引流岬结构的相同结构也适用于当流动方向反向时(即，当流体流从附图左侧和右侧接近引流岬并向上引导经过腔室出口时)。此外，对于本领域中的普通技术人员来说显然可以不脱离本发明范围地对引流岬结构的实施例作许多变型和组合。
在图6A中所示的示例性实施例中，引流岬结构510在中心轴线110的两侧上形成向内弯曲(凹)型面以及在引流岬结构510的两侧与中心轴线110相交处的单点终端515。在图6B中所示的另一示例性实施例中，引流岬结构520也形成在中心轴线110的两侧上的凹型面。如与单个终端515不同，终端525设置在由截平引流岬结构520的凹型面形成的水平面上。在未示出的另一实施例中，引流岬结构可类似于引流岬结构520成形，但用由构成终端的圆顶部来代替截平的凹型面。
参见图6C，引流岬结构530形成在中心轴线110两侧上与终端535相邻的向外弯曲(凸)的型面。在图6D中所示的另一示例性实施例中，引流岬结构540形成终端545位于中心轴线110上的光滑弧型面。在未示出的另一实施例中，引流岬结构可具有设置在通过截平引流岬结构535的凸型面而形成的水平面上的终端。
在图6E中所示的示例性实施例中，引流岬结构550不是凸的也不是凹的，而仅是倾斜的。终端555形成在引流岬结构550上最靠近流动入口120的唯一点。在其它实施例中，可截平示出为550的结构。在图6F中所示的示例性实施例中，引流岬结构560形成阶梯状结构，其中，终端565构成阶梯状结构上的上部平面。
通过本发明的各种实施例所述的微流体装置能够有效地在微反应器内混合不混溶液体、乳液和气液分散物。根据本发明的实施例的微流体装置可通过保持或提高流体混合质量并减小对流体流的压力阻力来实现较高的通过量。不受理论的限制，可认为本发明的微流体装置通过消除微反应器内的诸如漩涡、一般回流和“死区”的有害影响来提供提高的混合质量和减小的压降。
在此披露的方法和/或装置大体用于在微结构内执行如下任何过程，包括混合、分离、萃取、结晶、沉淀或者以其它方式处理流体或流体混合物，而流体混合物包括流体的多相混合物(包括流体或包括包含固体的多相流体混合物的流体混合物)。该处理可包括物理处理、限定为致使有机、无机物或有机物和无机物互换的处理的化学反应、生化过程或任何其它形式的处理。可利用所披露的方法和/或装置来执行以下非限制列出的反应：氧化；还原；置换；消除；加成；配体交换；金属交换；以及离子交换。更确切地说，可利用所披露的方法和/或装置来执行任何以下非限制列出的反应：聚合；烷基化；脱烷基化；硝化；过氧化；磺化氧化；环氧化；氨氧化；氢化；脱氢；有机金属反应；贵金属化学/均相催化剂反应；羰基化；硫羰基化；烷氧基化；卤化；脱卤化氢；脱卤化；加氢甲酰化；羧化；脱羧；胺化；芳基化；肽偶联；醇醛缩合；环化缩合；脱氢环化；酯化；酰胺化；杂环合成；脱水；醇解；水解；氨解；醚化；酶合成；缩酮化(ketalization)；皂化；异构化；季铵化；甲酰化；相转移反应；甲硅烷化；腈合成；磷酸化；臭氧分解；叠氮化物化学；复分解；氢化硅烷化；偶联反应；以及酶反应。
为描述并限定本发明，应注意到的是术语“基本上”和“大约”在此用于表示不确定度的固有程度，该不确定度可属于任何定量的比较、数值、测量值或其它表述。同样，术语“基本上”和“大约”在此用于表示对数量的表示会不同于所列的参照量、但不会引起所涉及主题的基本功能发生变化的程度。此外，尽管术语“至少”用于定义本发明的多个部件，但不使用该术语的部件不制于单个元件。也应注意到在此引述“至少一个”部件、元件等应不用于产生替代使用冠词“一”或“一个”应限制于单个部件、元件等的推论。
术语“水平”和“垂向”如在本文中所用那样是不一定表示垂直的相对术语。术语也用于方便述及附图中所用的定向，这些定向仅用作一种约定而并非想要作为所示装置的特性。本文将要描述的本发明及其实施例可以任何所想要的定向来使用，并且水平和垂向壁仅需要是相交的壁而不一定是垂向壁。
就在此书面文件中的术语的任何含义或定义与以参见方式纳入本文的术语的任何含义或定义冲突而言，赋予给此书面文件中的术语的含义或定义应统配。
由于已详细描述本发明并参照其具体实施例，因而将显而易见的是，可能有不会超出本发明限定在所附权利要求中的范围的修改和变型。更具体地说，虽然在此将本发明的一些方面认定为较佳的或尤其有利的，但可设想的是，本发明不需要局限于本发明的这些较佳方面。

Claims (15)

1.一种包括至少一个反应通道60的微流体装置10，所述反应通道60形成于所述微流体10的层50内，每个反应通道60都包括沿中心轴线110设置的一个或多个腔室70，75，其中每个腔室包括：
腔室入口120，所述腔室入口120沿所述中心轴线110设置；
腔室出口130，所述腔室出口130沿所述中心轴线110设置；
两个子通道140，145，每个子通道设置在所述腔室入口120与所述腔室出口130之间，其中，每个子通道140、145形成从所述中心轴线110发散然后朝向所述中心轴线110会聚的路径；
设置在所述两个子通道140、145和所述腔室入口120之间的分流区150，其中，所述分流区150将所述腔室入口120分成所述两个子通道140、145；
设置在所述两个子通道140、145和所述腔室出口130之间汇流区160，其中，所述汇流区160使所述两个子通道140、145合并；
其中，所述分流区150包括与所述腔室入口120相对设置的至少一个引流岬180，所述汇流区160包括与所述腔室出口130相对设置的至少一个引流岬185，且每个引流岬180，185都包括沿所述中心轴线110设置的终端190，195。
2.如权利要求1所述的微流体装置10，其特征在于，至少一个反应通道60包括相继设置的多个腔室70，75。
3.如权利要求2所述的微流体装置10，其特征在于，第一腔室70的腔室出口130与相继腔室75的腔室入口120流体连通。
4.如权利要求1所述的微流体装置10，其特征在于，每个终端190，195是弯曲的、直的或其组合。
5.如权利要求1所述的微流体装置10，其特征在于，所述腔室出口130包括基本上等于所述腔室入口120的宽度d1的宽度d2。
6.如权利要求1所述的微流体装置10，其特征在于，所述两个子通道140，145相对于所述中心轴线110彼此对称。
7.如权利要求1所述的微流体装置10，其特征在于，所述每个子通道140，145的宽度分别小于所述腔室入口120和所述腔室出口130的宽度d1和宽度d2。
8.如权利要求1所述的微流体装置10，其特征在于，每个子通道140，145至少局部弯曲。
9.如权利要求1所述的微流体装置10，其特征在于，每个子通道140，145包括至少一个弯曲部170。
10.如权利要求9所述的微流体装置10，其特征在于，每个弯曲部170，175形成的形状构造成使流体流动方向改变至少90°。
11.如权利要求9所述的微流体装置10，其特征在于，所述弯曲部170沿所述子通道140的路径设置在所述子通道140从所述中心轴线110分散开最远的位置处。
12.如权利要求1所述的微流体装置10，其特征在于，所述微流体装置10由玻璃、玻璃—陶瓷以及陶瓷中的一种或多种制成。
13.如权利要求1所述的微流体装置10，其特征在于，每个子通道310包括至少两个间隔的弯曲部330，335。
14.如权利要求13所述的微流体装置10，其特征在于，每个子通道310包括设置在至少两个间隔的弯曲部330，335之间的笔直区315。
15.如权利要求14所述的微流体装置10，其特征在于，所述两个子通道140，145的所述笔直区315，325都包括基本上相等的宽度w1，w2。
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